KR20000026943A - 직류/직류 컨버터의 스위칭잡음 감소회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휴대용기기에 전원공급을 일정하게 해주는 직류/직류(DC/DC) 컨버터에 있어서, 특히 직류/직류 컨버터 내부의 스위칭소자에 의해 발생되는 스위칭잡음을 감소시켜 줄수 있도록 한 직류/직류 컨버터의 스위칭잡음 감소회로에 관한 것이다.

종래에는 DC/DC컨버터의 스위칭소자를 제어하기 위한 주파수 상승과 더불어 스위칭에 의한 손실이 증가할 뿐만 아니라, 상기 스위칭시 내부에 흐르는 전류에 의해 인덕턴스(inductance) 성분이 생성되어 부하출력전압에 스위칭잡음이 발생하게 되고, 이 스위칭잡음이 방사노이즈 규격에 벗어나게 되어 소자에 치명적인 해를 주거나 기기의 성능을 저하시키는 요인이 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 스위칭소자의 스위칭시 발생하는 스위칭잡음을 감소시켜 주도록, 스위칭소자의 양끝단에 최단거리로 콘덴서(Capacitance)를 삽입하여 그라운드 라인(Ground line)으로 부터 생성되는 인덕턴스(Inductance) 성분과 L-C필터로 작용할수 있도록 하므로서, 스위칭시 그라운드 라인으로 부터 생성되는 인덕턴스 성분에 의한 스위칭잡음의 리플을 감소시켜 주어 부하 출력전압을 안정하게 공급할수 있도록 한 직류/직류 컨버터이다.

Description

직류/직류 컨버터의 스위칭잡음 감소회로

본 발명은 휴대용기기에 전원공급을 일정하게 해주는 직류/직류(DC/DC) 컨버터에 있어서, 특히 직류/직류 컨버터 내부의 스위칭소자에 의해 발생되는 스위칭 잡음을 감소시켜 줄수 있도록 한 직류/직류 컨버터의 스위칭잡음 감소회로에 관한 것이다.

근래에는 휴대용기기의 사용이 증가함에 따라 휴대용기기의 전원공급장치로 2차 전지가 널리 쓰이게 되었다.

이러한 2차 전지는 그 용량이 한정되어 있기 때문에 전지를 사용함에 따른 전압감소로 사용할 때간에 많은 제약이 따르게 되므로서, 전원공급을 부하에 일정하게 해줄수 있는 직류/직류 컨버터(DC/DC Converter)가 널리 사용되고 있다.

종래 동기형 직류/직류컨버터의 구성은 도 1에 도시된 바와같이,

입력전압(Vin)의 평활을 위한 콘데서(Cin)와, 상기 평활된 전압을 스위칭하여 부스트-업(Boost-up)시키는 트랜지스터(FET1)와, 상기 트랜지스터(FET1)의 출력전압을 모드 제어신호에 따라 온,오프되어 부하에 적정전압이 공급되도록 하는 트랜지스터(FET2)와, 상기 트랜지스터(FET2)의 출력전압을 부하에 공급하기 위해 평활하는 콘덴서(Cout)와, 상기 콘덴서(Cout)의 평활된 전압을 피드백(feedback) 감지하는 피드백부(1)와, 상기 피드백부(1)에서 감지된 전압으로 부하에 안정된 전압을 공급하도록 각 트랜지스터(FET1)(FET2)의 스위칭을 제어하기 위한 신호(S1)(S2)를 출력하는 펄스폭변조(PWM) 제어부(2)로 구성된다.

미 설명부호 C1은 콘덴서, D1,D2는 다이오드, CH1,CH2는 쵸크코일, SBD(Shottky Barrier Diode)는 절전모드시 부하에 절전전압을 공급하기 위한 다이오드이다.

상기와 같이 구성되는 종래 동기형 DC/DC컨버터의 동작에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

2차 전지전압에 의한 입력전압(Vin)이 콘덴서(Cin)에서 평활된 후 쵸크코일(CH1)을 통해 트랜지스터(FET1)의 드레인단으로 인가된다.

이때, 상기 평활된 전압이 콘덴서(C1)를 통해 펄스폭변조 제어부(2)의 전원전압(Vdd)으로 인가되면, 상기 펄스폭변조 제어부(2)는 구동하여 상기 트랜지스터(FET1)의 게이트단으로 스위칭 제어신호(S1)를 출력하게 된다.

그러면, 상기 트랜지스터(FET1)는 게이트단으로 입력되는 스위칭 제어신호(S1)에 따라 드레인단으로 입력되는 전압을 부스트-업(Boost-up)하여 트랜지스터(FET2)의 드레인단으로 스위칭 출력하게 된다.

이때, 상기 트랜지스터(FET2)는 드레인단으로 입력되는 전압을 펄스폭변조 제어부(2)의 제어신호(S2)에 따라 온 동작하여 콘덴서(Cout)를 통해 부하에 적정한 DC전압이 공급되도록 한다.

한편, 펄스폭변조 제어부(2)는 부하에 공급되는 전압을 피드백부(1)로 부터 입력받아 이를 인식한 후 트랜지스터(FET1)의 게이트단으로 제어신호(S1)를 출력하여 부하에 항상 안정적인 전압이 공급되도록 한다.

또한, 펄스폭변조 제어부(2)는 정상적인 모드시 트랜지스터(FET2)를 온 동작시켜 정상적인 전압이 부하에 공급되도록 하고, 절전모드시 트랜지스터(FET2)를 오프시켜 그 드레인단과 소오스단에 접속된 다이오드(SBD)를 통해 절전전압이 부하에 공급되도록 한다.

그러나, 이러한 DC/DC컨버터가 발전함에 따라 스위칭소자인 트랜지스터(FET1)(FET2)의 스위칭 제어 주파수가 상승하게 되고, 이로 인하여 스위칭에 의한 손실이 증가할 뿐만 아니라 부하출력전압에 스위칭잡음이 발생하게 되고, 이 스위칭잡음이 방사노이즈 규격에도 벗어나게 되고 소자에 치명적인 해를 주거나 기기의 성능을 저하시키는 요인이 되었다.

상기와 같은 스위칭잡음에 의한 기기의 성능을 떨어뜨리는 것을 방지하도록 본 발명은 입력전압을 펄스폭변조 제어부의 제어신호에 따라 부하에 적정전압이 공급되도록 스위칭출력하는 제 1,제2 스위칭 수단의 스위칭시 내부 그라운드라인에서 발생되는 인덕턴스성분과 L-C필터로 작용하기 위한 콘덴서를 상기 스위칭수단의 양끝단에 최단거리로 연결시켜 주므로서, 부하 출력전압의 스위칭잡음을 감소시켜 줄수 있도록 한 것이다.

도 1은 종래 DC/DC컨버터를 보인 회로도.

도 2는 본 발명 DC/DC컨버터의 회로도.

도 3의 (가)는 종래 DC/DC컨버터의 출력파형도이고, (나)는 본 발명 DC/DC컨버터의 출력파형도.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명 직류/직류 컨버터의 스위칭잡음 감소회로의 구성은 도 2에 도시된 바와같이,

입력전압(Vin)을 부스트-업하여 스위칭 출력하는 제 1스위칭수단(FET1)과, 상기 스위칭 출력전압을 부하에 공급하기 위해 스위칭 출력하는 제 2스위칭수단(FET2)과, 상기 스위칭수단(FET1)(FET2)의 스위칭을 제어하기 위한 제어신호(S1)(S2)를 출력하는 펄스폭변조 제어부(2)를 포함하는 직류/직류 컨버터에 있어서,

부하 출력전압(Vout)의 스위칭잡음을 감소시켜 주도록 상기 제 1, 제 2스위칭수단(FET1)(FET2)의 양끝단에 최단 거리로 콘덴서(Cx)를 삽입하여 그라운드(GND) 라인으로 부터 생성되는 인덕턴스(Lx) 성분과 L-C필터로 작용할수 있도록 한 구성이다.

상기 콘덴서(Cx)는 세라믹 콘덴서(Serimic Condensor)로서, 그라운드 라인의 인덕턴스(Lx) 성분의 양에 대해 비례적인 값을 가지도록 한 것이다.

미 설명부호 Cin,C1,C2,Cout는 콘덴서, D1,D2,SBD는 다이오드, 1은 피드백부이다.

본 발명 직류/직류 컨버터의 스위칭잡음 감소회로의 동작에 대하여 종래와 동일부분에 대하여서는 동일부호로 처리하고 도 2 및 도 3를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 2차 전지로 부터 입력되는 전압(Vin)이 콘덴서(Cin)에서 평활된 후 제 1스위칭수단(FET1)의 드레인단으로 입력되면, 상기 제 1스위칭수단(FET1)이 펄스폭변조 제어부(2)의 제어신호(S1)에 따라 적정레벨로 증폭하여 제 2스위칭수단(FET2)의 드레인단으로 스위칭 출력하게 된다.

그리고, 상기 제 1스위칭수단(FET1)의 스위칭 출력전압을 입력받은 제 2스위칭수단(FET2)은 펄스폭변조 제어부(2)의 제어신호(S2)에 따라 부하에 적정 DC전압을 공급하기 위해 스위칭 출력하게 된다.

이때, 스위칭소자인 제 1, 제 2스위칭수단(FET1)(FET2)의 스위칭으로 인해 그 양단에 전류가 흐르게 되면, 도면의 굵은선 내부에서는 인덕턴스(Inductance) 성분이 발생하게 된다.

또한, 이러한 인덕턴스에 의한 전압의 증감폭은 제 1, 제 2스위칭수단(FET1)(FET2)에 의해 다른 회로에서 보다 큰 값을 가지게 되며, 이 전압(V)값은 수학식 1로 부터 구할수 있다.

상기의 식으로 부터 제 1, 제 2스위칭수단(FET1)(FET2)에 의해 그라운드 라인에 흐르는 전류(di)의 변동폭이 상대적으로 큰 값을 가지게 됨을 알수 있다.

그리고, 도면에 타원으로 표시된 "A"의 그라운드 라인(Ground Line)을 살펴보면, 라인에 흐르는 전류(di)의 변동폭이 심하여 인덕턴스(Lx)의 효과가 무척 크게 나타나게 되므로서, 제 1, 제 2스위칭수단(FET1)(FET2)에 의한 스위칭잡음이 도 3의 (가)와 같이 출력전압(Vout)에 크게 나타나고, 이는 방사노이즈 규격에도 벗어나게 된다.

이와같은 스위칭잡음을 감소시켜 주기 위해 제 1, 제 2스위칭수단(FET1)(FET2)의 양끝단에 최단거리로 콘덴서(Cx)를 추가하여 회로적으로 인덕턴스(Lx)와 콘덴서(Cx)가 L-C필터로 작용할수 있도록 한다.

여기서, 상기 콘덴서(Cx)는 세라믹 콘덴서를 적용하여 제 1, 제 2스위칭수단(FET1)(FET2)의 양끝단에 최대 2mm이내의 거리로 인쇄회로기판(PCB) 제작시 접속시켜 주도록 하되, 그 용량값은 그라운드라인으로 부터 생성되는 인덕턴스(Lx)의 크를 계산하여 정하도록 하며 약 0.1uF~0.01uF 정도이다.

그러므로, 제 1, 제 2스위칭수단(FET1)(FET2) 내부의 그라운드라인을 인덕턴스(Lx)로 생각하고, 이 인덕턴스(Lx)와 L-C필터로 작용하는 콘덴서(Cx)를 삽입하여 DC전압 리플을 제거하여 준다.

따라서, 제 1, 제 2스위칭수단(FET1)(FET2)의 스위칭 출력전압은 상기 콘덴서(Cx)에 의해 DC전압 리플이 제거되며, 이 전압은 콘덴서(C2)에 의해 충,방전된 후 쵸크코일(CH2) 및 콘덴서(Cout)를 통해 부하에 공급된다.

이때의 부하출력전압(Vout)의 파형은 도 3의 (나)에 도시된 바와같이 스위칭잡음이 현저하게 감소되었으며, 이 파형은 방사노이즈 규격에 벗어나지 않게 된다.

이상에서 설명한 바와같이, 본 발명은 스위칭소자의 양끝단에 최단거리로 콘덴서를 삽입하므로서, 부하 출력전압의 스위칭잡음을 감소시켜 줄수 있도록 하는 한편, 직류/직류 컨버터를 적용하게 되는 기기의 오동작 방지 및 부품소자를 보호할수 있도록 하여 기기의 소형화 및 경량화를 구현할수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 입력전압을 부스트-업시켜 주도록 스위칭 출력하는 제 1스위칭수단과, 상기 스위칭 출력전압을 부하에 공급하기 위해 스위칭 출력하는 제 2스위칭수단을 포함하여 휴대용기기에 DC전원을 공급하는 직류/직류컨버터에 있어서,

   상기 제 1, 제 2스위칭수단의 양끝단에 최단거리로 콘덴서를 삽입하여 내부으 그라운드 라인으로 부터 생성되는 인덕턴스 성분과 L-C필터로 작용하여 DC전압 리플을 제거하여 부하출력전압의 스위칭잡음을 감소시켜 주는 것을 특징으로 하는 직류/직류 컨버터의 스위칭잡음 감소회로.
2. 제 1항에 있어서, 상기 콘덴서는 세라믹 콘덴서를 적용하되, 그 용량은 그라운드 라인에서 생성되는 인덕턴스 성분에 비례하는 값을 가지도록 함을 특징으로 하는 직류/직류컨버터의 스위칭잡음 감소회로.